Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Lasery, laserové technologie a stroje s laserem
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Lasery, laserové technologie a stroje s laserem

Laser se za dobu od svého vzniku uplatnil v celé řadě oborů. Jako přístroj se dnes využívá v medicíně, technologii, astronomii, geodézii, metrologii, chemii, biologii, spektroskopii, energetice, ve výpočetní technice, v technice spojů, ve vojenské technice, v automatizaci a dálkovém řízení, ale i při studiu a vývoji termojaderné fúze jako nového zdroje energie.

Plynové lasery

Aktivní prostředí plynového laseru je v plynné fázi, tyto lasery pracují v kontinuálním i pulzním režimu. Do této skupiny patří helium-neonový laser, měděný laser, jódový laser, argonový laser, helium-kadmiový laser, vodíkový laser, dusíkový laser, excimerové lasery a CO2 lasery. Z uvedených laserů se helium-neonový laser používá např. v měřicí technice. V technologii opracování materiálů se používají především CO2 lasery (obr. 1) pro řezání a svařování a excimerové lasery pro popisování, mikroobrábění keramických materiálů, obrábění diamantu, čištění povrchů strojních součástí i uměleckých děl (obr. 2) a vrtání děr od průměru 10 µm.

Pevnolátkové lasery

Aktivním prostředím v pevnolátkovém laseru je pevná opticky propustná látka - krystaly, oxidy, granáty, alumináty, fluoridy, oxylsulfidy, fosfáty, silikáty, tungstáty, molybdáty, vanadáty, beryláty, sklo a keramika. Do této skupiny patří rubínový laser, neodymový laser, Nd:YAG laser, Nd:YLF laser, Er:YAG laser a Ho/CTH:YAG laser. Dnes nejvíce používaným typem pevnolátkového laseru je Nd:YAG laser (obr. 3). Laser pracuje jak v pulzním, tak kontinuálním režimu. Paprsek pevnolátkových laserů má vlnovou délku 1,06 ?m. Je vhodný pro vrtání, sváření, řezání a popisování. V lékařství se používá kontinuální Nd:YAG laser jako skalpel v chirurgii a pulzní Nd:YAG laser v oční mikrochirurgii. Dále se používá v radarové technice a ve spektroskopii.

Anotace
Obr. 1. Princip CO2 laseru

Anotace
Obr. 2. Část laserem vyčištěného (vlevo) a celkově
vyčištěného obrazu (vpravo)

Anotace
Obr. 3. Princip Nd:YAG laseru

Polovodičové lasery

Aktivním prostředím polovodičových laserů je polovodičový materiál, ve kterém jsou aktivními částicemi nerovnovážné elektrony a díry, tj. volné nosiče náboje, které mohou být injektovány. Hlavní předností polovodičových laserů je jejich kompaktnost, velká účinnost (až 50 %), možnost spektrálního přeladění v širokém spektrálním pásmu a pomocí výběru aktivního prostředí generace záření různých vlnových délek. Typickými představiteli polovodičových laserů jsou: polovodičový laser buzený svazkem elektronů a injekční polovodičový laser, kde je buzení prováděno elektrickým polem. Polovodičové lasery mohou mít výstupní výkon 30 W až 6 kW. U vysoce výkonných diodových laserů má vystupující paprsek tvar obdélníkové plochy. Laser o výstupním výkonu 150 W má po zaostření rozměr stopy 0,6 x 1,2 mm. Lze jej však zaostřit i na 1,3 x 1,3 mm nebo na stopu ve tvaru kruhu o průměru 1,5 mm. Polovodičové lasery (obr. 4) se používají především pro svařování, tepelné zpracování a nanášení povlaků.

Anotace
Obr. 4. Konstrukce polovodičového laseru

Lasery pracující na principu kovových par

V průmyslu se používají také lasery pracující na principu kovových par vzácných prvků. Jde např. o lasery pracující na principu Cu par. Produkují záření o výstupním výkonu 120 W, o vlnové délce 510,6 a 578,2 nm, frekvence pulzů je 30 kHz, délka pulzu 20 až 50 ns, špičkový výkon v pulzu nad 100 kW. Typické aplikace použití laserů pracujících na principu kovových par jsou: vrtání děr o průměru 50 až 200 µm, řezání fólií, křemíkových desek a vytváření hustých mřížek. Drsnost stěn vyvrtané díry je 1 až 2 µm, rychlost vrtání velká a tepelné ovlivnění okolního materiálu díry malé.

Některé nové druhy laserů

Prudký rozvoj zaznamenávají diodami čerpané pevnolátkové lasery. Jsou to především Nd:YAG lasery, u nichž jsou pro čerpání energie z krystalu dosud používané výbojky nahrazeny laserovými diodami, příp. diodovými lasery. Výhodami těchto laserů jsou vyšší účinnost, menší spotřeba elektrické energie, menší celkové rozměry, delší trvanlivost diod oproti výbojkám (životnost diod je cca 10 000 hodin) a menší provozní náklady.Dalším vývojovým stadiem diodami čerpaných pevnolátkových laserů jsou kotoučové lasery (obr. 5).

Anotace
Obr. 5. Princip kotoučového laseru 

U tohoto typu laserů je krystal, používaný dosud ve tvaru válce nebo desky, nahrazen kotoučem o tloušťce 0,3 mm a průměru 7 mm. Kotouč lze vyrobit z krystalu Yb:YAG, čímž se oproti krystalu z Nd:YAG zvýší účinnost čerpání ze 76 % na 91 %. Současné výkony kotoučových laserů jsou do 350 W. Kotoučové lasery mají možnost dobrého zaostření paprsku, pracují v kontinuálním i pulzním režimu s délkou pulzu v rozsahu femtosekund. Konstrukce laseru je kompaktní.V poslední době se začínají v technologii používat vláknové lasery s výstupním výkonem 2 až 30 W a vlnovou délkou záření 1,06 ?m. Používají se pro značení, popisování, vrtání mikrootvorů, mikrořezání a svařování.

Laserové technologie

Mezi základní oblasti, ve kterých se uplatňuje laser v průmyslu, patří:
  • zpracování plechů - řezání, svařování, vrtání a ohýbání;
  • obrábění - řezání drážek, obrábění dutin, vrtání, obrábění s předehřevem, popisování, dělení třísek, odhrotování, soustružení, frézování a mikrofrézování;
  • tepelné zpracování - kalení, žíhání, popouštění, zpevnění s natavením, amorfizace povrchu a rázové zpevnění;
  • povrchové úpravy - nanášení různých druhů povlaků a sycení povrchu legujícími prvky, leštění povrchů, vytváření textur;
  • technologie Rapid Prototyping;
  • měření - délek, tvaru, polohy obrobku, počítání počtu vyrobených kusů, měření jakosti povrchu;
  • renovace opotřebovaných součástí a nástrojů - navařování;
  • vyvažování součástí - úběr materiálu součásti v předem daném místě;
  • měření stavu napjatosti součástí - holografie;
  • dálkové řízení strojů;
  • měření stavu opotřebení činné části nástroje;
  • analýza chemického složení materiálů;
  • vytváření textů na nedabovaných filmech;
  • vytváření dekorací na a ve skleněných předmětech;
  • renovace starých uměleckých děl - čištění;
  • výzkum termojaderné fúze vyvolané laserem.
  • Základní předností laserových technologických operací je možnost opracování bez mechanického kontaktu s výrobkem, možnost opracování obtížně přístupných částí obrobku a technologické zpracování těžkoobrobitelných materiálů. V technologii se laser používá pro řezání, svařování, vrtání, značení a gravírování, povrchové úpravy, povlakování, renovaci součástí, tvorbu modelů a prototypů (Rapid Prototyping) a na laserovou podporu konvenčního obrábění. Každá z těchto oblastí má svá specifika, pokud jde o typ laseru a způsoby jeho užití.

    Řezání laserem

    Nejpoužívanější lasery v tomto oboru jsou kontinuální CO2 lasery se středním výkonem do 15 kW, kterými je možné řezat konstrukční oceli do tloušťky až 20 mm, korozivzdorné oceli do tloušťky 10 mm a slitiny hliníku do tloušťky 5 mm. Pro přesnější řezy s menší šířkou řezné spáry se používají Nd:YAG lasery o výkonu 100 až 1000 W, kterými lze řezat konstrukční oceli do tloušťky 6 mm, korozivzdorné oceli do tloušťky 3 mm a slitiny hliníku do tloušťky 2 mm. Laserem lze řezat např. titan, oceli s nízkým obsahem uhlíku a korozivzdorné oceli.

    Svařování laserem

    Svařování laserem má řadu výhod, kterých nelze dosáhnout žádnou jinou technikou. Mezi výhody svařování laserem patří vysoká rychlost svařování, malé tepelné ovlivnění místa svaru, možnost provedení svaru i při přístupu pouze z jedné strany, malé nároky na jakostní povrch svařovaných součástí, vysoká pevnost svaru. Laserem je možné svařovat jinými metodami obtížně svařitelné materiály, jako titan a jeho slitiny, hliníkové slitiny (např. dnes v letectví a kosmonautice používanou slitinu hliníku a lithia), sendvičových hliníkových konstrukcí, niob, zlato apod. Ke svařování se používají Nd:YAG a CO2 lasery. Svařování ve srovnání s dalšími aplikacemi vyžaduje menší intenzitu záření optického svazku a větší délku laserového pulzu.

    Vrtání laserem

    Pro vrtání laserem platí, že čím je díra delší, tím více se odchyluje tvar díry od geometrie, což je způsobeno rozdělením energie paprsku. Předností laserového vrtání je vytváření malých otvorů o průměru 10 ?m až 100 ?m i v místech, kde je to pomocí jiných metod obtížné nebo nemožné. Díry mohou být kruhové i tvarové. Délka vrtané díry může být až 50 mm. Vrtat lze kovy, plasty, textilie, dřevo, sklo, papír, keramiku a jiné přírodní materiály. Tato technologie se používá pro vrtání kamenů do hodinek, filtrů, vstřikovacích trysek, lopatek proudových motorů apod. Pro vrtání se používají:

    Anotace
    Obr. 6. Princip kalení laserem (1 – paprsek laseru,
    2 – neovlivněný povrch, 3 – zakalený materiál,
    4 – tepelně ovlivněná oblast)

    • CO2 lasery - vyřezávání (kruhových i tvarových) otvorů, nejmenší průměr vyřezávaného otvoru je 5 mm, nejmenší průměr vrtané díry je 0,2 mm,
    • Nd:YAG lasery - vrtání děr o menším průměru, nejmenší průměr vrtané díry je 0,025 mm,
    • excimerové lasery - vrtání děr do keramiky.

    V průmyslu se pro vrtání děr používají především Nd:YAG lasery o výstupním výkonu 100 až 500 W.

    Značení, značkování a popis laserem

    Laser na povrchu materiálu s vysokou přesností vytváří stálý, mechanicky odolný a velmi kontrastní popis. Laserem je možné označovat všechny materiály, jako kalené i nekalené oceli a litiny, titan, mosaz, bronz, hliník a jeho slitiny, slinutý karbid, zlato, keramiku, drahé kameny, plasty, dřevo, sklo, gumu, papír, kůži atd. Popisovaný povrch může být broušený, pískovaný, lakovaný, černěný, smaltovaný, opatřený povlakem chromu, zinku, titankarbidu, titannitridu, keramickým povlakem apod. Laserem lze popisovat rovinné, válcové i jinak zakřivené plochy, a to i na málo přístupných místech. Pro popisování se používají především Nd:YAG lasery o výstupním výkonu 50 W, dále CO2 lasery a excimerové lasery. Nově se pro popisování používají lasery vláknové.

    Tepelné zpracování

    Tepelné zpracování materiálů laserem je charakterizováno krátkou dobou ohřevu a malým objemem ohřátého materiálu. Metody tepelného zpracování jsou založeny na:* ohřevu materiálu - žíhání, kalení a popouštění;* tavení materiálu povrchu součásti - tepelné zpevnění s natavením a amorfizace povrchu;* odpařování materiálu - rázové zpevnění založené na mechanismu vypařování.Zpravidla se používá kontinuálních CO2 laserů o výkonu několika tisíc wattů. Velmi výhodné je použití vysoce výkonových diodových laserů, které mají obdélníkovou stopu paprsku na opracovávaném materiálu. Kalit lze vnější plochy, ale také např. drážku v díře, vnitřní dosedací plochy apod.

    Gravírování (mikrofrézování) laserem

    Gravírování se používá pro vytváření jednoduchých i velmi složitých reliéfů, především do kalených ocelí (např. do forem pro stříkání plastů a zápustek), keramických materiálů, dřeva, gumy apod. Podstatou metody je odpařování materiálu v místě, kde působí paprsek laseru. Gravírování může být v rovině, v několika různých hloubkách nebo lze vytvářet prostorové reliéfy. Pro gravírování do kovových a keramických materiálů se používají především Nd:YAG lasery, pro gravírování do dřeva a gumy jsou vhodné CO2 lasery.

    Anotace
    Obr. 7. Gravírování ve 3D (a – výsledek gravírování
    – dutina)
     

    Anotace
    Obr. 7. Gravírování ve 3D (b – otisk)

    Ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii byla vyvinuta metoda pro vytváření prostorových obrazců. Příklad plastického prostorového obrazce je na obr. 7. Kůň byl gravírován v oceli 19 436 do hloubky 0,5 mm. Model byl na počítači "rozřezán" na 50 vrstev, tloušťka jedné vrstvy odebírané paprskem laseru byla 0,01 mm. Při mikrofrézování hlubokých dutin je nutné řešit technologii vytváření kolmých stěn dutiny. Ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii byly vyvinuty dvě metody, které umožňují vytvoření nejen kolmých stěn, ale také rybiny (stěn se záporným sklonem) (obr. 8).

    Anotace
    Obr. 8. Dutiny obrobené laserem před a po korekci
    pravé stěny dutiny (ocel 14 220)

    Texturování povrchů

    Do gravírování je možné zahrnout rovněž vytváření různých druhů textur. Obr. 10 ukazuje texturu vytvořenou systematickým natavením povrchu. Na obr. 11 jsou textury vytvořené vhodnými geometrickými obrazci a na obr. 12 je ukázána možnost vytváření barevných povrchů.Texturování povrchů se používá například u tiskařských válců, k dekoraci předmětů nebo u ohybadel s cílem zvýšení jejich trvanlivosti. Rovněž touto technologií se zabývá výše uvedené výzkumné centrum.

    Anotace
    Obr. 9. Vzory a příslušné textury (ocel 19 436)

    Anotace
    Obr. 10. Barevné povrchy (ocel 19 436)

    Leštění povrchů

    Další technologií, kterou vyvíjí Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii, je leštění povrchů. Leštění paprskem laseru má výrobcům forem umožnit náhradu ruční práce automaticky pracujícím strojem. Zkoumanými materiály byly: nástrojová ocel 19 436, konstrukční ocel 14 220, mosaz a měď. Nejnižší hodnoty drsnosti povrchu (Rapod = 0,24 µm, Rypod = 1,67 µm, Rapr = 0,37 µm, Rypr = 2,9 µm) byly dosaženy u nástrojové oceli 19 436. Na obrázku 13 jsou ukázány povrchy ve stonásobném zvětšení. Paprskem laseru lze také zpřesňovat rozměry a tvar obrobku. Jde například o vytváření ostrých vnitřních rohů, které nelze vyrobit frézováním.

    Využití laserů v obráběcích strojích

    V oblasti aplikace laserových technologií na obráběcích strojích jsou zřejmé tři přístupy:* využití stávajícího obráběcího stroje a jeho doplnění vhodným laserem - tato kombinace umožňuje provádět operace třískového obrábění i laserové technologie na jednom stroji, tedy na jedno upnutí obrobku;* využití podstatné části obráběcího stroje (rámu a pracovních stolů, včetně řízení a pohonů) a doplnění laserem - toto uspořádání umožňuje provádění pouze laserových technologií;* zařazení laseru do výrobní linky.Trendy v laserových strojích a technologiích směřují k získání možnosti provádět jedním laserem více technologií, např. mikrofrézování, leštění, kalení, vrtání malých děr atd.

    Kombinace laser a obráběcí stroj

    V současné době je možné realizovat následující kombinace:

    Anotace
    Obr. 11. Plochy leštěné laserem (skutečná velikost
    plochy a při zvětšení 100x)

    • soustruh - obrábění s předehřevem (obrábění keramiky a ostatních těžkoobrobitelných materiálů);
    • soustruh - kalení, popisování, gravírování;
    • soustruh - výroba úzkých drážek, kalení, popis, odstraňování otřepů;
    • soustruh - nanášení materiálu metodou Rapid Prototyping (např. výroba osazeného pouzdra z polotovaru ve tvaru trubky);
    • frézka - kalení, mikrofrézování, popisování;
    • frézka - mikrofrézování, odstraňování otřepů, leštění, kalení;
    • frézka - frézování úzkých drážek, vrtání děr malého průměru;
    • frézka - popisování.

    Anotace
    Obr. 12. Obráběcí centrum MCVL 1000 Laser s vestavěným
    laserem o výstupním výkonu 50 W – pohled
    do pracovního prostoru

    Je zřejmé, že podle přání zákazníka je možné sestavit různé kombinace obráběcího stroje a laseru. Ve výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii bylo navrženo a ve spolupráci s podnikem Kovosvit MAS, a. s., realizováno obráběcí centrum MCVL 1000 Laser (obr. 14) s vestavěným laserem. Dalším navrženým strojem je nástrojařská frézka FNG 50 CNC Laser (obr. 15) realizovaná společně s INTOS, s. r. o., Žebrák.

    Anotace
    Obr. 13. Nástrojařská frézka FNG 50 CNC Laser

    Ing. Jaroslav Řasa, CSc.

    Ing. Radka Jindrová

    ČVUT v Praze, Fakulta strojní

    Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii

    VCSVTT, ČVUT v Praze

    //www.rcmt.cvut.cz/

    J.Rasa@rcmt.cvut.cz

    Chybějící tabulku naleznete v tištěné verzi časopisu.

    Další články

    Nekonvenční technologie

    Komentáře

    Nebyly nalezeny žádné příspěvky

    Sledujte nás na sociálních sítích: